Feststoffpartikelerosion (SPE) von Aluminiumoxidkeramik, Epoxidharz und Polymerverbundwerkstoffen: Materialabtragsmechanismen und Erosionsrate
Das Verständnis der Feststoffpartikelerosion im Mikromaßstab durch hochauflösende 3D-Oberflächenmesstechnik ist entscheidend für die Entwicklung langlebigerer Materialien und Anlagen.
Feststoffpartikelerosion (SPE) ist ein kritischer Verschleißmechanismus in vielen industriellen Anwendungen und eine der Hauptursachen für Bauteilversagen, Effizienzverluste und erhöhte Sicherheitsrisiken. Ihr Einfluss ist besonders in Hochleistungsbranchen wie der Energie- und Luftfahrtindustrie bedeutend, wo Materialien regelmäßig extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.
Das Verständnis, wie SPE Materialien beeinflusst, kann Ingenieur:innen dabei helfen, widerstandsfähigere Werkstoffe zu entwickeln, Betriebsbedingungen zu optimieren und Komponenten zu konstruieren, die gegenüber Verschleiß durch hochgeschwindigkeitsbedingte Partikelaufpralle resistent sind. Der Aufprall kleiner Feststoffpartikel auf eine Oberfläche, der zu Materialabtrag führt, wird als SPE bezeichnet. SPE tritt somit auf, wenn eine Oberfläche einem Strahl hochgeschwindiger Feststoffpartikel ausgesetzt ist.
Dieses Phänomen ist besonders unerwünscht in Industrien, die mit Partikelströmen arbeiten. Beispiele hierfür sind Antriebssysteme (wie Flugzeugtriebwerke und Wasserturbinen), Energieerzeugungsanlagen, die Rauchgasen ausgesetzt sind (Zyklone, Öfen, Kessel), sowie Öl- und Gasinfrastrukturen (Rohrleitungen, Bögen und Ventile). Ein tieferes Verständnis des SPE-Verhaltens ist entscheidend für die Entwicklung widerstandsfähigerer Materialien, die Optimierung von Betriebsbedingungen sowie die Verbesserung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit kritischer Komponenten.
Daher ist das Verständnis der Mechanismen und Einflussfaktoren der SPE entscheidend für die Entwicklung langlebigerer Materialien und Anlagen. Aus diesem Grund sind Erosionstests unerlässlich, um deren Auswirkungen auf Materialien zu analysieren. Diese Tests wurden an massiver Aluminiumoxidkeramik, reinem Epoxidharz sowie polymeren Verbundwerkstoffen mit Aluminiumoxidpartikeln durchgeführt, unter Verwendung eines kommerziellen Mikrostrahlgeräts im AJM-Labor der TMU.
Zu den wichtigsten Parametern der SPE zählt die volumetrische Erosionsrate, definiert als das vom Zielmaterial entfernte Volumen pro eingesetzter abrasiver Masse im Test. Dieser Parameter wurde bei verschiedenen Auftreffwinkeln (30°, 45°, 60° und 90°) gemessen. Zur Bestimmung des abgetragenen Volumens in den Erosionskanälen wurde ein hochauflösender berührungsloser 3D-Optikprofiler, S neox, eingesetzt, der die gesamte Oberfläche der erodierten Kanäle erfasst. Typische, mit S neox gescannte Erosionskanäle sind unten dargestellt.
MESSUNGEN
Die in dieser Studie dargestellten Abbildungen wurden mit einem hochauflösenden, berührungslosen 3D-Optikprofiler aufgenommen, der hauptsächlich im Focus-Variation-Modus betrieben wurde. Diese Technik ermöglicht eine detaillierte dreidimensionale Charakterisierung erodierter Oberflächen, einschließlich Erosionskanälen, Querschnittsprofilen, lokaler Materialabtragsmechanismen sowie der Oberflächenmorphologie unter verschiedenen Auftreffwinkeln und Geschwindigkeiten.
Diese Topografie zeigt einen Aluminiumoxidkanal, der mit der Düsenoszillationstechnik erzeugt wurde, zusammen mit seinem Querschnittsprofil, wobei der farbige Bereich die erodierte Zone darstellt.
Die 3D-Topografie eines Verbundmaterials, verstärkt mit 35 Vol.-% Aluminiumoxidpartikeln (447 µm), zeigt die erodierte Oberfläche und verdeutlicht die Mechanismen der Oberflächenschädigung durch Erosion sowie die Wechselwirkung zwischen Matrix und keramischen Verstärkungen.
Dieses Bild zeigt die Verbundoberfläche nach Erosion bei 113 m/s und einem Auftreffwinkel von 45°. Der Pfeil kennzeichnet die Richtung der einfallenden abrasiven Partikel, während der entsprechende Querschnitt den Abschattungseffekt verdeutlicht, bei dem die erodierte Aluminiumoxidverstärkung die darunterliegende Epoxidmatrix teilweise schützt.
Das Profilometriebild zeigt die erodierte Oberfläche eines einzelnen Verstärkungspartikels, wobei die Matrix bis zu einer Tiefe von etwa einem Partikelradius abgetragen wurde, sowie das gemessene Querschnittsprofil.
Zusätzlich wurden simulierte Oberflächendaten aus LS-DYNA und COMSOL im XYZ-Format in dasselbe System importiert, wodurch ein direkter Vergleich zwischen experimentellen Messungen und numerischen Vorhersagen ermöglicht wurde.
Die Topografien veranschaulichen den Mikroausbruch-Mechanismus, der durch den einzelnen Aufprall eines 152 µm großen abrasiven Partikels bei einem Winkel von 90° entsteht. Das Aufprallereignis wurde in LS-DYNA simuliert, und die resultierende Oberfläche wurde als XYZ-Daten in S neox importiert und im konfokalen Modus gemessen, wodurch ein direkter Vergleich zwischen simuliertem und experimentell erfasstem Oberflächenverhalten möglich wurde.
Diese Abbildung zeigt die vorhergesagte Oberflächenentwicklung einer in eine Epoxidmatrix eingebetteten Aluminiumoxidkugel unter Erosion durch feine SiC-Partikel bei einem Auftreffwinkel von 90°. Der Erosionsprozess wurde in COMSOL simuliert, und die resultierenden Oberflächendaten wurden als XYZ-Dateien in S neox importiert, was eine detaillierte 3D-Visualisierung und Analyse der Erosionsmuster ermöglicht.
Die Studie ermöglichte eine umfassende quantitative und qualitative Charakterisierung der Feststoffpartikelerosion (SPE) in massiver Aluminiumoxidkeramik, reinem Epoxidharz und aluminiumoxidverstärkten Polymerverbundwerkstoffen unter verschiedenen Auftreffwinkeln und Geschwindigkeiten. Das Forschungsteam konnte Erosionskanäle, Querschnittsprofile und volumetrischen Materialabtrag präzise messen, wodurch Erosionsraten zuverlässig bestimmt und dominante Schädigungsmechanismen wie Mikroabrasion, Mikroausbrüche und Abschattungseffekte durch Verstärkungspartikel eindeutig identifiziert werden konnten.
Alle Messungen wurden mit dem hochauflösenden berührungslosen 3D-Optikprofiler S neox durchgeführt, der hauptsächlich im Focus-Variation-Modus betrieben wurde und bei Bedarf durch konfokale Messungen ergänzt wurde. Das System ermöglichte präzise dreidimensionale Rekonstruktionen erodierter Strukturen.
Zudem konnten Simulationsdaten aus LS-DYNA und COMSOL direkt importiert und visualisiert werden, wodurch ein robuster Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und numerischen Vorhersagen möglich wurde.
Der S neox von Sensofar erwies sich als die am besten geeignete Lösung für diese Studie, da er komplexe Erosionsgeometrien präzise erfassen, geringe Materialverluste quantifizieren und experimentelle sowie simulierte Daten nahtlos integrieren kann, was ihn zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die zuverlässige Analyse von Feststoffpartikelerosion macht.
Referenzen
[1] Nekahi, M. M., Amin Javaheri, B., & Papini, M. “Erosion modeling of epoxy composites reinforced with angular particulate alumina: A surface evolution approach.” Tribology International (Elsevier), 110895.
[2] Nekahi, M. M., Villasenor Vazquez, E., & Papini, M. “Prediction of the gradual solid particle erosion of particulate-reinforced epoxy-matrix composites using surface evolution modeling.” Tribology International (Elsevier), 109422.
[3] Nekahi, M. M., Villasenor Vazquez, E., & Papini, M. “Numerical modeling of the erosion of alumina particulate reinforced epoxy-matrix composites: Material removal mechanisms including reinforcement fracture.” Wear (Elsevier), 204710.
[4] Nekahi, M. M., Vazquez, E. V., & Papini, M. “Numerical Simulation of Solid Particle Erosion of Alumina by Overlapping Irregular-Shaped Particle Impacts.” Tribology Letters (Springer), 70(2), 1-19.
[5] Arani, N. H., Eghbal, M., Nekahi, M. M., & Papini, M. “Numerical and experimental investigation of the erosion of zirconia particulate-reinforced epoxy matrix composites by angular silicon carbide particles.” Polymer Composites (Wiley), 42(1), 220-235.
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